燃料电池系统未来五大发展趋势预测

燃料电池系统未来五大发展趋势预测

目前,国内燃料电堆产业化功率密度(乘用车)已达到1.8kW/L,实验室达到3.1kW/L,乘用车系统使用寿命普遍达到5000h,商用车达到10000h,具备零下30度低温启动能力。
   研究机构EVTank联合伊维经济研究院在相继发布了加氢站、氢气制取、氢气存储与运输等方面的研究报告后,近日再次发布《燃料电池系统产业链研究报告(2019)》。在研究报告中,伊维经济研究院从产业链的角度梳理了燃料电池电堆、双极板、膜电极、质子交换膜、催化剂、气体扩散层等产业链关键环节进行了深度的研究和分析,并详细梳理了燃料电池产业链各环节的企业的基本情况。
  关于燃料电池系统,伊维经济研究院认为其关键部件包括电堆、供气系统等辅助系统,关键技术包括水热管理技术、低温冷启动、系统的控制技术等。燃料电池电堆是这个系统的核心,包括双极板、膜电极、催化剂、质子交换膜、气体扩散层等部件。其中,催化剂、质子交换膜和气体扩散层集成在一起成为膜电极,它是堆的主要部件。
  一、电堆
  电堆是发生电化学反应的场所。单体电池是由双极板与膜电极组成。按目标负载需求,将多个单电池层叠组合,嵌入密封件,经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢,即构成燃料电池堆(简称电堆)。
    电堆工作时,阳极为氢燃料发生氧化的场所,阴极为氧化剂还原的场所,两极都含有加速电极电化学反应的催化剂,质子交换膜作为传递氢离子的介质,只允许氢离子通过,电子则在外部形成电流。工作时,电堆相当于一个直流电源,阳极即电源负极,阴极即电源正极。实际上燃料电池电堆不是一个储能装置,而是一个发电装置。
  在《燃料电池系统产业链研究报告(2019)》,伊维经济研究院将全球燃料电池电堆主要供应商分为两大梯队,第一梯队主要是乘用车大厂,如丰田、本田、现代等,其电堆功率均超过100千瓦,自供燃料电池汽车使用,不对外销售。第二梯队以巴拉德、hydrogenics等为主,欧美燃料电池商用车多采用其电堆,功率较低。同时巴拉德、hydrogenics等企业积极布局中国市场,采取技术合作、技术转让、合资建厂、定向采购的模式,供应国内商用车。
   关于国内电堆生产企业,伊维经济研究院在报告中归为三大体系:规模较大属“巴拉德系”,发展模式选择引进巴拉德技术,通过合资建设生产线,购买巴拉德电堆组件生产,主要供应国内商用车、物流车,代表企业有广东国鸿、大洋电机、潍柴动力等;亿华通则通过产学研结合,自主研发,同时引进国外先进技术加以吸收、创新,成为国内燃料电池供应最多的厂家之一;国内纯自主研发的代表企业主要是新源动力、上海神力、明天氢能等,依靠与高校合作,产学研结合以及承担国家相关课题,经过多年技术积累,形成了一定产能。
  伊维经济研究院研究发现,目前,国内燃料电堆产业化功率密度(乘用车)已达到1.8kW/L,实验室达到3.1kW/L,乘用车系统使用寿命普遍达到5000h,商用车达到10000h,具备零下30度低温启动能力。
  二、双极板
  双极板是电堆的多功能部件,其主要作用是通过表面的流场给膜电极输送反应气体,同时收集和传导电流(多个单电池通过双极板串联)并排出反应的热量及产物水。其重量约占电堆的80%,成本约占30%。
    双极板材料目前主要是石墨双极板、金属双极板和复合板,伊维经济研究院调研发现石墨双极板当前应用最为广泛。石墨双极板耐腐蚀性强,导电导热好,但气密性较差,厚度大且加工周期长,成本较高。另一方面,而由于乘用车空间限制,高功率、低成本的金属双极板具有更好的应用前景,目前国外已实现商业化利用。复合双极板更适合批量化生产,但目前研发程度较低。
   伊维经济研究院认为石墨双极板技术成熟,目前主流供应商有POCO、巴拉德等。国产厂商主要有上海神力、上海弘枫、嘉裕碳素等公司。尽管石墨双极板已初步实现国产化小规模使用,伊维经济研究院认为由于缺乏耐久性和工程化验证,且生产工艺多为机械加工成型,成本难以降低。
  伊维经济研究院通过研究发现国外金属双极板技术成熟,已完成工艺验证,主要供应商有德国Dana、英国Bac2等。国内企业多数处于试制阶段,上海佑戈、上海治臻新能源、新源动力等企业研发较为领先,并已尝试车用。安泰科技钛双极板2018年已实现量产,供应加拿大巴拉德。而复合双极板的研发目前还比较少,主要研究企业为武汉喜马拉雅、新源动力等。
  三、膜电极
  膜电极是电堆的“电芯”,决定了电堆性能、寿命和成本的上限,成本占据电堆60%以上。膜电极组件是集膜、催化层、扩散层于一体的组合件,是燃料电池单体的最重要组件。伊维经济研究院研究发现,目前,国际上已经发展了3代膜电极技术路线:一是主要采用热压法,将催化剂浆料涂覆在气体扩散层上,构成阳极和阴极催化层,形成“GDE”结构膜电极,总体性能不高;二是把催化层制备到膜上(CCM),一定程度上提高了催化剂的利用率与耐久性,但催化层结构具有不稳定性;三是有序化的膜电极,把催化剂如Pt制备到有序化的纳米结构上,使电极呈有序化结构,获得坚固、完整的催化层,进一步提高燃料电池性能,降低催化剂铂载量。目前商业化程度最高的是第二代CCM技术,第三代有序化技术还处于研发试验阶段,只有戈尔公司实现量产。
   伊维经济研究院在研究报告中分析认为目前膜电极市场主要被国外企业占据,主流专业膜电极的供应商主要有3M、戈尔、东丽等。巴拉德、丰田、本田等电池、乘用车企业自主开发了膜电极。国产膜电极性能与国际水平接近,稍有差距,但在批量化生产工艺和装备差距较大,国外已实现卷对卷的连续化生产。
    国内专业的膜电极供应商,伊维经济研究院研究发现企业主要是武汉理工新能源,主要出口供应普拉格,以及供应国内车企使用,是全球六大膜电极供应商之一,其规模化量产年产量达到12万片,建成的自动化膜电极生产线产能达到2万平米/年,未来预计建设到10万平米/年。大连新源也自主生产膜电极,主要是自用为上汽的发动机配套。鸿基创能膜电极在建产能10万平米/年,2020有望实现投产。此外还有大连化物所、武汉汉喜马拉雅、苏州擎动等参与膜电极研发工作。
  四、质子交换膜
  质子交换膜是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心元件。从膜的结构来看,质子交换膜(PEM)大致可分为三大类:磺化聚合物膜,复合膜,无机酸掺杂膜。目前研究的 PEM材料主要是磺化聚合物电解质,按照聚合物的含氟量可分为全氟磺酸质子交换膜、部分氟化质子交换膜以及非氟质子交换膜等。伊维经济研究院在研究报告中提到目前最常用的质子交换膜是美国科慕(杜邦)的Nafion全氟磺酸膜、戈尔公司的select复合膜。
  伊维经济研究院:燃料电池系统未来五大发展趋势预测
  质子交换膜国外已实现规模化生产,主流企业有戈尔、科慕、旭硝子、旭化成等;国内技术水平与国外相当,但多处在中试阶段,能够批量化供应只有东岳集团,已进入AFCC(奔驰福特合资公司)供应链。
  伊维经济研究院:燃料电池系统未来五大发展趋势预测
  目前应用最多的全氟磺酸膜具有化学性能好、质子传导率高等优点,但其产品的合成及磺化工艺复杂,成本高;此外全氟磺酸膜对温度和含水量要求高,以Nafion膜为例,其最佳工作温度为70~90℃,过高温度会使其含水量急剧降低,导电性迅速下降,因此电极反应速度难以提高,催化剂也容易中毒,从而损害电堆寿命。故而部分氟化、无氟化、复合质子交换膜、高温质子交换膜为重要研究方向,它们加工简单、成本低、稳定性更优。
  五、催化剂
  催化剂是燃料电池的关键材料之一,目前燃料电池中常用催化剂是Pt/C,即由铂的纳米颗粒分散到碳粉载体上的担载型催化剂。研究目标就是使燃料电池催化剂的铂载量低于传统燃油车,国外催化剂铂载量达到0.1~0.2g/kW,国内铂载量0.3~0.4g/kW,离传统燃油车0.05g/kW还有较大下降空间。
  伊维经济研究院研究认为催化剂海外企业领先,已经能够实现批量化生产,国内正起步。其中英国Johnson Matthey和日本田中(供应本田Clarity)等是全球领军企业。国内企业尚处于研究阶段,包括大连化物所、新源动力、贵研铂业等高校、企业,大连化物所制备 核壳催化剂,其氧还原活性与稳定性优于商业化Pt/C催化剂;贵研铂业和上汽共同研发燃料电池催化剂,已获得一定成果。
  六、气体扩散层
  气体扩散层位于流场和膜电极之间,扩散层的材质是经疏水材料处理的碳基材料(碳纸或碳布)。疏水材料的作用是防止水在扩散层孔中积聚,影响气体扩散。扩散层的主要作用是为参与反应的气体和产生的水提供传输通道,并支撑膜电极。因此,气体扩散层必须具备良好的机械强度、合适的孔结构、良好的导电性、高稳定性,因而所需碳纸、碳布必须具备优良性能。
  伊维经济研究院在《燃料电池系统产业链研究报告(2019)》认为国外日本东丽、巴拉德、德国SGL等厂商的碳纸产品已经实现规模化生产,国内台湾碳能、安泰科技(开始供应普拉格)实现批量生产,全球市场主要由东丽、台湾碳能主导。国内其他研发主体主要集中于中南大学、武汉理工大学、上汽集团等高校、企业,多受制于市场需求规模小、技术不成熟等因素而不能规模化量产。
  在伊维经济研究院发布的《燃料电池系统产业链研究报告(2019)》中,还对燃料电池系统未来的发展趋势做了预测:
  (1)燃料电池电堆降成本仍然是行业发展重点。在当前技术条件下,质子交换膜、气体扩散层等加工成本主导的零部件可以通过规模化实现降成本,而双极板、催化剂受原料成本主导难以通过规模化降本,因此需要更迭技术,探索低成本解决方案。
  (2)电堆及零部件国产化进程加快。目前国内用于乘用车的金属双极板、膜电极、质子交换膜、催化剂、炭纸生产能力较低,市场由国外企业主导。随着国内研发投入加大,未来电堆生产技术及各零部件技术与国外差距将缩小,国产替代将加速。
  (3)石墨双极板技术成熟,国内将迎来规模化生产。石墨材料将寻求性能更优、成本更低新型炭基材料,生产工艺由机械加工成型向模压成型转变。而随着乘用车技术的进步,体积小、功率高更适宜批量生产的金属双极板前景广阔。
  (4)有序化膜电极技术是未来膜电极制备主流发展趋势。有序化膜电极能够解决CCM技术催化层结构不稳定的缺陷,具有优良的多相传质通道,能有效降低铂载量,并提高膜电极寿命。目前,行业内小范围实现量产,规模化量产仍面临水管理等技术和制备难题。
  (5)降低催化剂铂载量或使用非铂催化剂是有效的降成本方向。一方面通过改进电极,提高铂质量比活性以降低铂用量,开发核壳机构、铂合金或纳米结构的超低铂催化剂;另一方面研究开发非铂催化剂,如钯基催化剂、非贵金属催化剂和非金属催化剂技术。
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